Реферат на тему:
Колірні моделі
в комп’ютерній графіці
Кольорові зображення складають найпривабливішу частину мультимедійних видань. До своєї появи на екрані, а потім на папері, колір проходить певний ланцюжок цифрового кодування та обробки. Як і будь-яка інша, колірна інформація подається у цифровому вигляді, причому її відтворення на екрані і папері повинно відповідати оригіналу. Згадаємо, як різняться між собою зображення одних і тих же краєвидів на різних поштових листівках. Пристрої, стосовні колірної інформації, повинні бути відкалібровані, тобто налагоджені так, щоб відтворення на кожному з них кольору заданого номеру було б однаковим. Це не так просто, якщо зважити на принципово різне сприйняття кольору в натурі, на екрані та на папері, а також цілковиту суб'єктивність колірного сприйняття - знамените "на вкус и цвет товарища нет". Це ще одна причина, яка робить необхідним цифрове кодування кольорів. Мал.3.1 показує відносність сприйняття оком навіть світла й тіні, не кажучи вже про кольори. Однаково зафарбовані квадрати, розміщені на темному фоні, здаються світлішими, ніж на світлому.
Для цифрового кодування потрібна побудова правил відповідності кольорів їх цифровим кодам або колірної моделі. Колірна модель, яку ми зараз розглянемо, значно спирається на людське сприйняття кольору.
Світло
Для того щоб бачити колір, потрібне світло. Недаром кажуть, що вночі всі кішки сірі - за відсутності освітлення не видно аби хоч як гарних кольорів. Як відомо, світло належить до досить вузького діапазону електромагнітних хвиль (мал.3.2), характеристики яких наведені у таблиці:
| Довжина хвилі | Вид хвилі | ||
| 106 - 101 | радіохвилі | ||
| 101 - 10-1 | ультракороткі | ||
| 10-1 - 10-3 | надвисокі частоти | ||
| 10-3- 10-6 | інфрачервоні | ||
| 8х10-7 - 4х10-7 | видимі | ||
| 10-7 - 10-9 | ультрафіолетові | ||
| 10-9 - 10-12 | рентгенівські | ||
| 10-12 - 10-14 | гамма-випромінювання | ||
| 10-14 - | космічні промені |
Видимий спектр складається з шести монохроматичних складових, кожному з яких відповідає своя довжина хвиль:
| Довжина хвилі | Колір | ||
| 770-630 | червоний | ||
| 630-590 | оранжевий | ||
| 590-570 | жовтий | ||
| 570-495 | зелений | ||
| 495-435 | голубий, синій | ||
| 435-390 | фіолетовий |
Проходячи через границю двох середовищ з різною оптичною густиною, промені світла змінюють напрямок свого руху - заломлюються. Ця властивість дозволила встановити, що біле світло містить в собі всі компоненти видимого спектру (мал. 3.3).
Перше питання, на яке ми плануємо дати відповідь - це питання "Що ми бачимо?" Ми бачимо предмети, які випромінюють або відбивають світло - електромагнітні хвилі видимого діапазону. Кольором можна назвати таку характеристику, викликану відмінностями в частотних характеристиках видимих об'єктів або джерел світла, завдяки якій спостерігач здатен розрізнити два ідентичні за матеріалом, розмірами і формою предмети. Поняття кольору суб'єктивне, колір не існує за межами нашої свідомості. В цьому полягає складність роботи з кольором.
В світлі наше око здатне розрізняти два види інформації - яскравість і колірність. Колір залежить від довжини хвилі, яскравість - від амплітуди коливання. Як відомо з фізики, енергія E, створена електромагнітним коливанням, пропорційна як квадрату його амплітуди a, так і квадрату частоти ω, тобтоE ~ a2ω2, а значить обернено пропорційна квадрату довжини хвилі . Дійсно, нехай x = a sin (ωt + φ) - гармонійне коливання, кінетична енергія якого, як звичайно виражається формулою Eкін = , де v = = -aωcos(ωt+φ). Тоді максимум кінетичної енергії Здатність розрізняти в енергії світла ці дві складові є справжнім чудом, властивим органам зору далеко не всіх живих істот. Дійсно, якби наше око реагувало б лише на кількість перенесеної енергії, то збільшення амплітуди давало б той же ефект, що і збільшення частоти в таку ж кількість разів. Але збільшивши в півтори рази частоту (відповідно, зменшивши в півтори рази довжину хвилі) ми перетворимо червоне світло, наприклад, в зелене.
Друге питання "Завдяки чому ми бачимо?" Сітківка, розташована на поверхні дна ока, покрита світлочутливими елементами. В результаті їх збудження в нервових клітинах виникає електричний сигнал. Пристрої електронного зору містять світлочутливі напівпровідники, опір яких залежить від світлової енергії. Це значить, що світло можна вимірювати за силою струму сигналу, що виник.
Око містить два види світлочутливих рецепторів: палички і колбочки.
Палички відповідають за зір при низьких значеннях яскравості. Вони розрізняють світло за яскравістю. Колбочки відповідають за зір при високих значеннях яскравості. Розрізняють три види колбочок кожен з яких чутливий до своєї ділянки спектру: L-колбочки, чутливі до довгих хвиль, M- колбочки - до середніх та S- колбочки - до коротких (мал. 3.5). Перші називають також R-колбочками, другі - G-колбочками, треті -B-колбочками за англійськими назвами red, green, blue відповідних домінуючих кольорів. Але ця назва, хоч і образна, але не дуже точна, оскільки чутливість кожного з типів колбочок виходить за межі кожного з названих кольорів. Можна говорити лише о належності до певного кольору максимуму їх чутливості. Максимум чутливості перших припадає приблизно на 420 нм, других - на 545 нм, третіх - 564 нм. З малюнку видно, що в сприйнятті певної довжини хвилі можуть брати участь одразу два або усі три види колбочок. Зорова система людини порівнює їх виходи і на цій підставі визначає колір. Наявність трьох видів рецепторів вимагає трьох порівнянь, що полягають грубо кажучи, у відділення світла від тіні, синього від жовтого і зеленого від червоного.
Нерівнозначне сприйняття оком кольорових складових приводить до того, що яскравість різних ділянок видимого спектру сприймається по різному. Найяскравішими здаються ділянки зеленого кольору, найменш яскравими - сині. Ця обставина суттєва, наприклад, для вибору кольору фону. Скажімо білі літери на синьому фоні найкраще сприймаються оком, оскільки синій фон привертає до себе мінімум уваги. Сумарну яскравість кольорового зображення можна обчислити за емпіричною формулою
яскравість = 0,59 х зелений + 0,3 х червоний + 0,11 х синій.
Адитивна система RGB. Будова кінескопу
Основу кольорового кінескопу складає електронно-променева трубка, обладнана трьома електронними гарматами, кожна з яких випускає вузький промінь одного з трьох кольорів: червоного, зеленого, синього. На шляху променів до поверхні екрану знаходяться тіньові маски, завдання яких полягає в виділенні достатньо вузького променю.
Поверхня екрану покрита спеціальним шаром - люмінофором, свічення якого викликається в результаті попадання одного променя з трійки. Кожен люмінофор випромінює світло на своїй довжині хвилі, яскравість якого залежить від інтенсивності променя. Одна точка екрану складається з трьох сусідніх люмінофорів. Колір точки, що світиться, визначається змішуванням кольорів цих трьох сусідніх люмінофорів. Ділянку екрану у збільшеному вигляді подано на мал.3.6.
На реальному моніторі люмінофори стають видимими, якщо розглянути екран через лупу. В силу особливості будови нашого ока, ділянки екрану, покриті люмінофорами, що випромінюють максимум інтенсивності, ми сприймаємо, як білі (точніше світлі, близькі до білого. Чистий білий колір можна одержати лише змішуванням усіх складових видимого спектру, наприклад, проходженням через призму у зворотному напрямку. Тому змішування лише трьох монохромних складових буде різнитися від білого.) Зменшення інтенсивності приводить до відтворення інших кольорів аж до чорного, якому відповідають всі три нульові інтенсивності. Попарне змішування основних кольорів дає три інших важливих кольори, про які йтиметься пізніше (мал. 3.7).
Принцип дії монітора приводить нас до так званої адитивної моделі RGB. Вона називається адитивною, оскільки кольори в ній утворюються шляхом додавання інтенсивності трьох базових кольорів. Кожен колір, утворений за допомогою цієї моделі можна задати трійкою чисел (r,g,b), кожне з яких може змінюватися від 0 до, наприклад, 1. Простір усіх RGB - кольорів можна уявити собі у виді одиничного куба, відклавши на осях інтенсивності базових кольорів. Вершини куба відповідатимуть чорному, білому, червоному, зеленому, синьому, голубому, пурпуровому і жовтому кольорам. Діагональ куба відповідатиме відтінкам сірого кольору (мал. 3.8)
Наступне питання, яке виникає в зв'язку з адитивною моделлю, є проблема її апаратної залежності. Адже результат адитивного синтезу залежить від характеристик джерел світла! Тоді визначення конкретного кольору в цій моделі звучало б приблизно як пояснення шляху водієві: спочатку їхати три години прямо, а потім повернути наліво, цілком залежне від типу автомобіля та способу керування ним. Ясно, що характеристики люмінофорів кожного окремого монітора, не кажучи вже про різні їх моделі, можуть відрізнятися. Єдиним виходом, який зводитиме апаратну залежність до мінімуму, є впровадження міжнародних стандартів. Такий стандарт під назвою BT.709 був прийнятий Міжнародним союзом телекомунікацій (ITU - International Telecommunications Union) в Женеві 1990 року.